土壤磷活化劑在馬鈴薯生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力

張嬌嬌，秦永林，樊明壽，賈立國

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

磷素是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一，亦是肥料的三要素之一。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增施磷肥是提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)的重要措施，多年來，盡管不斷大量施用磷肥來滿足作物需求，但由于磷素在土壤中移動性差、易固定，致使施入土壤的磷肥有效性迅速下降，同時缺乏針對性的磷肥高效利用技術(shù)，多數(shù)作物磷肥當(dāng)季利用率只有10%～20%[1]。這樣就導(dǎo)致農(nóng)田土壤的總磷量不斷積累，如全國土壤普查顯示，1980年全國農(nóng)田平均土壤速效磷為7.4 mg/kg，到2007年已達到24.7 mg/kg，是1980年的3.3倍，農(nóng)田土壤平均磷累積量高達242 kg/hm2[2]。隨時間推移，農(nóng)田土壤磷素大量累積，土壤速效磷含量超過一定臨界值時，磷淋溶風(fēng)險將大幅增加，加劇了環(huán)境污染風(fēng)險。另一方面，磷肥生產(chǎn)依賴于大量開采磷礦資源，從全球磷礦資源儲量來看，盡管中國磷礦儲量有33億t[3]，約占世界儲量的4.8%[4]，但磷礦資源更新周期長，依據(jù)目前磷的消費需求與開采速度，預(yù)測磷礦在未來50～400年耗竭[5-7]。據(jù)2020年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國農(nóng)田磷素累積高達1.15億t，與中國近10年的磷肥生產(chǎn)總量相當(dāng)[8]。因此，綜合兼顧作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、資源永續(xù)利用與環(huán)境友好，活化農(nóng)田土壤中難以被利用的磷素，挖掘累積磷素再利用潛力，是實現(xiàn)作物減磷增效的重要途徑。

土壤磷活化劑是將難溶性磷轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锟衫昧椎耐庠刺砑觿┛偡Q，其可降低土壤對磷的吸附固定[9]，促進土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化[10]、增加磷素有效性[10]，進而提高作物磷素的吸收利用效率。本文概述了農(nóng)田土壤磷素的形態(tài)及轉(zhuǎn)化，總結(jié)了土壤磷活化劑的應(yīng)用研究，重點分析了土壤磷活化劑在馬鈴薯種植中應(yīng)用的意義及亟待解決的問題，為馬鈴薯磷肥減施增效提供參考。

1 土壤磷素的形態(tài)及轉(zhuǎn)化

1.1 土壤磷素的形態(tài)

土壤磷素包括無機磷和有機磷兩種形態(tài)，無機磷占土壤磷總量的60%～80%[11]，植物根系可直接吸收利用H2PO4-和HPO42-兩種形式的無機磷，而不能直接吸收利用被土壤吸附固定的離子態(tài)磷。通常施入農(nóng)田的化學(xué)磷肥為無機磷，大致有3種形態(tài)：水溶態(tài)、吸附態(tài)和礦物態(tài)。采用磷素分級的方法可更加準(zhǔn)確研究磷素對植物的有效性，如，早在1957年，Chang和Jackson[12]首次提出較為系統(tǒng)的土壤無機磷分級方法，適用于酸性和中性土壤的磷素分級，將無機磷分為Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P四級；1989年，蔣柏藩和顧益初[13]改進了磷素分級方法，將土壤無機磷中的Ca-P分為Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P，該方法適用于石灰性土壤的無機磷組分研究；沈仁芳和蔣柏藩[14]研究分析指出無機磷的不同形態(tài)間有效性存在較大差異，其中，Ca2-P是作物容易吸收的第一有效磷源，F(xiàn)e-P、Ca8-P、Al-P是作物的第二有效磷源，而O-P和Ca10-P在短時間內(nèi)不易被作物吸收利用，是作物的潛在磷源。

有機磷主要由肌醇磷酸、核酸、磷脂、微生物磷以及少量磷蛋白和磷酸糖等組成，其中，磷酯占有機磷總量的1%～5%，微生物磷占1.4%～5%，核酸類有機磷占5%～10%，肌醇磷酸鹽的含量最高占20%～50%[15,16]，還有30%左右的有機磷有待于進一步研究[17]。土壤有機磷在酶的作用下可礦化分解成無機磷[18]，部分可溶性有機磷化合物可被植物直接吸收利用。

1.2 土壤磷素的轉(zhuǎn)化

1.2.1 土壤磷素的固定

化學(xué)反應(yīng)固定和吸附固定是磷在土壤中固定主要的2種方式[19]?；瘜W(xué)反應(yīng)固定指磷吸附在碳酸鈣、鐵鋁礦物表面時，會與礦物質(zhì)反應(yīng)，形成化學(xué)沉淀。如，磷與土壤中碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固定過程為：磷被碳酸鈣迅速地吸附，之后被吸附的磷可進一步生成磷酸二鈣，接著磷酸二鈣再慢慢向溶解度更小的磷酸八鈣轉(zhuǎn)變，隨后，磷酸八鈣緩慢地轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的磷酸十鈣（即羥基磷灰石）[20]。

離子交換吸附和配位吸附是土壤對磷的吸附固定2種類型[21]。離子交換吸附是在土壤礦物或黏粒表面磷酸根通過取代其他吸附態(tài)陰離子而被吸附，與配位吸附相比吸附性弱，被吸附的磷酸根容易被其他陰離子解吸；所謂配位吸附，是指磷酸根與土壤膠體表面上的-OH發(fā)生交換形成離子鍵或共價鍵，在配位吸附初期階段，磷酸根與土壤膠體表面上的-OH進行配位交換，放出OH-，形成單鍵吸附，隨時間的推移被吸附的磷酸根會與相鄰的-OH發(fā)生第二次配位交換，進而釋放OH-，通過雙鍵吸附最終生成穩(wěn)定的環(huán)狀化合物[22,23]。土壤中磷的有效性大大降低，通常磷的吸附主體是土壤中的碳酸鈣、無定形氧化鐵、氧化鋁和土壤黏粒[19]。

1.2.2 土壤磷素的活化

土壤磷的活化是促進土壤有效性低的無機磷形態(tài)向有效性高的形態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，主要包括（1）可溶性磷酸鹽的釋放：土壤中難溶性磷酸鹽在有機酸、碳酸等酸性物質(zhì)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄粤姿猁}；（2）無機磷的解吸：土壤顆粒吸附態(tài)磷經(jīng)過解吸作用重新進入土壤溶液；（3）有機磷的礦化：有機磷在磷酸酶等作用下轉(zhuǎn)化為無機磷[24]。

2 土壤磷活化劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

目前研究的磷素活化物質(zhì)主要有：低分子量有機酸、高分子量有機酸、磷酸酶及其激活劑、微生物菌肥、復(fù)雜有機物質(zhì)、高表面積與高表面活性物質(zhì)以及其他類物質(zhì)。

2.1 低分子量有機酸

土壤低分子量有機酸主要來源于動植物殘體分解、微生物合成及植物根系分泌，一般具有一至數(shù)個羧基的小分子碳水化合物。如，草酸、檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸、丙酮酸、甲酸、乙酸、丙酸、乙醇酸、草酰乙酸、酚酸、蠟酸、順-烏頭酸、異檸檬酸、延胡索酸、戊酸等[25]。目前，對低分子量有機酸活化土壤磷的機理已有共識，認(rèn)為低分子量有機酸通過電離H+、配位交換及絡(luò)合作用來溶解和轉(zhuǎn)化一些土壤中難溶性含磷礦物，釋放并增加磷素生物有效性。

不同類型低分子量有機酸及其濃度對不同土壤的磷活化效果不同[26,27]。如，在紅壤無機磷活化室內(nèi)模擬試驗研究中，相同濃度下土壤磷活化效果為：檸檬酸＞酒石酸＞蘋果酸，且100 mmol/L檸檬酸在土壤浸提10次的磷素累積活化量可達全磷量的l7.02%[28]；草酸在小于0.5 mmol/L低濃度時活化能力最小，高于5 mmol/L時活化能力最大[29]；在菜地土壤有效磷活化中，0.1 mol草酸、檸檬酸處理后對土壤速效磷分別增加78%、0.5%[30]。

受農(nóng)田土壤多因素的影響，多數(shù)低分子量有機酸對土壤磷活化的研究停留在室內(nèi)與模擬試驗，其對土壤有機磷的活化機制研究深度遠不及土壤無機磷方面，缺乏低分子量有機酸與磷肥施用之間協(xié)同增效機制的研究。因此，開展不同作物體系中磷肥施用與低分子量有機酸活化土壤磷的互作效應(yīng)及增效評價研究，有助于低分子量有機酸在減磷增效綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮更大作用。

2.2 高分子量有機酸

關(guān)于土壤磷活化研究的高分子量有機酸類物質(zhì)主要有腐植酸與木質(zhì)素。高分子量有機酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常有多種官能團，主要有羧基、酚羥基、甲氧基和羥基，還有含氮的環(huán)狀化合物等，屬于大分子聚合物[31,32]。國內(nèi)外研究將高分子量有機酸活化土壤磷素、保護肥料磷有效性的作用機理主要歸納為：交換吸附學(xué)說、螯（絡(luò)）合學(xué)說、酸效應(yīng)學(xué)說、刺激效應(yīng)學(xué)說、吸附位點消減效應(yīng)學(xué)說、離子橋效應(yīng)學(xué)說幾個方面。

施用腐植酸、木質(zhì)素可增加耕層土壤速效磷含量，提高磷肥利用效率[33]。如，在灰漠土棉田施入腐植酸土壤速效磷含量顯著提升，且隨腐植酸用量增加而增加，腐植酸能使土壤穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)速效磷[34]；在潮土上施用腐植酸磷肥可使玉米表觀磷肥利用率提高5.9%～13.1%[35]；張清東[36]研究表明木質(zhì)素濃度越高時，降低土壤對磷的吸附固持能力就越強；在紫色土上玉米的木質(zhì)素緩釋肥料研究顯示，相比普通無機磷肥，木質(zhì)素緩釋肥料磷肥利用效率可增加61.8%[37]。

目前，高分子量有機酸的研究報道主要集中在腐植酸，但從土壤磷活化角度的腐植酸應(yīng)用研究比例較少，腐植酸活化土壤磷與減少磷肥固定的雙重效應(yīng)仍未解析清楚，腐植酸在不同作物上提高磷肥效率的應(yīng)用技術(shù)體系需加強研究。

2.3 磷酸酶及其激活劑

土壤磷酸酶、植酸酶等物質(zhì)的礦化作用被認(rèn)為是活化土壤有機磷的主要原因[38]，許多有機磷在磷酸酶的作用下可轉(zhuǎn)化為無機磷后被植物所利用。例如，研究發(fā)現(xiàn)水稻根際土壤中磷酸酶的活性與有機磷的耗竭度有顯著的相關(guān)性[38]，通過外源植酸酶的施加，可以顯著提高甜茶幼苗土壤的磷酸酶活性[39]。另外，通過加入還原型谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸等激活磷酸酶的物質(zhì)，可強化土壤磷酸酶的酶促反應(yīng)，提高磷酸酶活性，進而改變土壤中的磷有效性[10]。如，李亮[40]在水稻田土壤中施加抗壞血酸和還原型GSH，均提高了土壤速效磷含量，其中抗壞血酸增加土壤速效磷的量與相同濃度檸檬酸效果相同，可以認(rèn)為是抗壞血酸具有還原性，作為輔酶使磷酸單酯酶活性增強，從而促進有機磷的礦化。

2.4 微生物菌肥

添加解磷菌株、VAM菌株等微生物菌肥可將土壤中難溶性磷轉(zhuǎn)化成可溶性磷，以提高土壤磷素利用率。解磷微生物主要通過分泌酶類礦化有機磷、有機酸溶解無機磷，發(fā)揮土壤磷活化的作用。有機解磷微生物分泌細胞外的酶類，如磷酸酶、植酸酶、核酸酶和脫氫酶等能夠起到使有機磷化合物礦化的作用；伊鋆[41]研究解磷菌PSB28在溶磷過程獲得較多種類和含量的有機酸，有機酸與難溶性磷酸鹽中的金屬陽離子螯合而起到解磷的作用。此外，微生物菌肥還可通過促進植物根系分泌有機酸，進而促進磷素養(yǎng)分的吸收利用，提高磷素利用率。

目前，微生物菌肥中添加的解磷菌株因受土壤環(huán)境的影響使得磷活化效果并不穩(wěn)定，缺乏適用于多數(shù)土壤的解磷菌微生物菌肥。

2.5 復(fù)雜有機質(zhì)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的有機肥可作為磷素活化劑。大量研究發(fā)現(xiàn)，有機肥具有活化磷素和減弱磷肥固定的作用，如，唐曉樂等[42]研究發(fā)現(xiàn)低溫條件下，施用有機肥可提高土壤有效磷111.5%，能夠提高土壤酸性磷酸酶活性。目前，有機肥活化土壤磷素的機理相對復(fù)雜，沒有完全解析清楚，同時針對不同作物體系，缺乏基于活化土壤磷素的有機肥減磷增效技術(shù)研究。

2.6 高表面積與高表面活性物質(zhì)

常見的粉煤灰和沸石粉等是高表面積與高表面活性物質(zhì)，具有一定的土壤磷活化效果。如，朱江和周俊[43]研究結(jié)果表明，不同性質(zhì)土壤施用粉煤灰后，可提高有效磷13.6%～22.6%，以天然沸石吸附和氨化為交換體再釋放土壤中累積的難溶性磷，磷釋放總量是常規(guī)施肥的4.0～8.7倍；魏靜和周恩湘[44]報道添加沸石的磷礦粉可使速效磷增加182.9%。

2.7 其他

生長類激素可促進作物根系生長，間接提升根際土壤磷素的活化，提高作物磷素的吸收利用效率。如，劉世亮等[45]研究表明使用ABT生根粉浸種后，小麥根系生長迅速，小麥吸磷量顯著增加，磷肥利用率可提高12%。

絡(luò)合物類物有對金屬離子的絡(luò)合作用及對細胞膜的破壞作用，可增加土壤磷素的活化。如，厭氧發(fā)酵過程中，添加19.5 mmol/L EDTA可使磷酸鹽沉淀中的磷幾乎全部被釋放，而未添加組的磷只有57%被釋放，同時生物固體釋磷率為82%，遠高于不添加EDTA時的40%[46]。

3 土壤磷活化劑在馬鈴薯上的應(yīng)用潛力

3.1 土壤磷活化劑在馬鈴薯生產(chǎn)中應(yīng)用的意義

馬鈴薯是中國第四大主糧作物，2021年種植面積約為460.6萬hm2，居世界第一。相比其他作物，馬鈴薯是一種需磷量較大的作物。馬鈴薯生產(chǎn)相同干物質(zhì)所需吸收磷素的數(shù)量與玉米相當(dāng)[47]，生產(chǎn)1 000 kg塊莖需P2O5為1.00～1.50 kg[48]。由于馬鈴薯是典型的淺根系作物，根長及根系密度小，養(yǎng)分吸收能力相對較低，磷肥利用率遠低于小麥、玉米等作物[49]，再加上缺乏高效磷肥利用技術(shù)，馬鈴薯當(dāng)季磷肥利用率僅為11.2%～15.6%[50]，大部分的磷肥被固定累積到農(nóng)田土壤中。因此，通過應(yīng)用土壤活化劑增加馬鈴薯田累積磷素的有效性，進而提高馬鈴薯磷素吸收利用效率，將對馬鈴薯減磷增效、減少磷礦資源浪費及降低環(huán)境風(fēng)險兼具重要意義。

3.2 馬鈴薯生產(chǎn)應(yīng)用土壤磷活化劑亟待解決的問題

綜上，土壤磷素活化劑雖種類豐富，但在馬鈴薯上的應(yīng)用研究卻很少，有許多問題待深入研究。

（1）馬鈴薯產(chǎn)區(qū)土壤類型多樣，需開展不同土壤類型馬鈴薯田土壤磷素活化劑的篩選試驗及其增產(chǎn)增效機理研究。

（2）解析磷素活化劑對馬鈴薯田土壤磷活化與減少磷肥固定的雙重效應(yīng)，定量化馬鈴薯磷肥減施下的土壤磷活化劑應(yīng)用技術(shù)參數(shù)。

（3）明確不同磷素肥力馬鈴薯田土壤磷素活化劑應(yīng)用的種類、時間、位置及用量。

（4）挖掘多種土壤磷素活化劑應(yīng)用技術(shù)組合在馬鈴薯減磷增效上的潛力。

（5）確立馬鈴薯土壤磷素活化劑應(yīng)用的生態(tài)效益評價指標(biāo)和評價方法。